Il materiale magnetoelettrico è il primo nel suo genere in grado di stimolare direttamente il tessuto neurale.
I ricercatori riconoscono da tempo il potenziale terapeutico dell’utilizzo di materiali magnetoelettrici ⎯ che possono ruotare campi magnetici in campi elettrici ⎯ per stimolare il tessuto neurale in modo minimamente invasivo e aiutare a trattare disturbi neurologici o danni ai nervi.
Il problema, però, è che i neuroni hanno difficoltà a rispondere alla forma e alla frequenza del segnale elettrico risultante da questa conversione.
Neuroingegnere della Rice University Giacobbe Robinson e il suo team hanno progettato il primo materiale magnetoelettrico che risolve questo problema ed esegue la conversione da magnetico a elettrico 120 volte più velocemente rispetto a materiali simili.
Secondo uno studio Pubblicato su Nature Materials, i ricercatori hanno dimostrato che il materiale può essere utilizzato per stimolare con precisione i neuroni a distanza e per colmare il divario in un nervo sciatico rotto in un modello di ratto.
Robinson ha affermato che le qualità e le prestazioni del materiale potrebbero avere un impatto profondo sui trattamenti di neurostimolazione, rendendo le procedure significativamente meno invasive. Invece di impiantare un dispositivo di neurostimolazione, è possibile semplicemente iniettare piccole quantità di materiale nel sito desiderato.
Inoltre, data la gamma di applicazioni della magnetoelettrica nell’informatica, nel rilevamento, nell’elettronica e in altri campi, la ricerca fornisce un quadro per la progettazione di materiali avanzati che potrebbero guidare l’innovazione in un modo più ampio.
"Abbiamo chiesto: 'Possiamo creare un materiale che possa essere come la polvere o che sia così piccolo che inserendone solo una spruzzata all'interno del corpo saresti in grado di stimolare il cervello o il sistema nervoso?'" Ha detto Giosuè Chen, un alunno del dottorato della Rice e autore principale dello studio.
“Con questa domanda in mente, abbiamo pensato che i materiali magnetoelettrici fossero candidati ideali per l’uso nella neurostimolazione. Rispondono ai campi magnetici, che penetrano facilmente nel corpo, e li convertono in campi elettrici, un linguaggio già utilizzato dal nostro sistema nervoso per trasmettere informazioni.
I ricercatori hanno iniziato con un materiale magnetoelettrico costituito da a piezoelettrico strato di titanato di piombo e zirconio inserito tra due magnetostrittivo strati di leghe di vetro metalliche, o Metaglas, che può essere rapidamente magnetizzato e smagnetizzato.
Gauri Bhave, ex ricercatore del laboratorio Robinson che ora lavora lì la tecnologia trasferimento per il Baylor College of Medicine, ha spiegato che l'elemento magnetostrittivo vibra con l'applicazione di un campo magnetico.
"Questa vibrazione significa che sostanzialmente cambia forma", ha detto Bhave. “Il materiale piezoelettrico è qualcosa che, quando cambia forma, crea elettricità. Quindi, quando questi due vengono combinati, la conversione che ottieni è che il campo magnetico che applichi dall’esterno del corpo si trasforma in un campo elettrico”.
Tuttavia, i segnali elettrici della magnetoelettricità sono troppo veloci e uniformi per essere rilevati dai neuroni. La sfida era progettare un nuovo materiale in grado di generare un segnale elettrico in grado di indurre effettivamente le cellule a rispondere.
"Per tutti gli altri materiali magnetoelettrici, la relazione tra il campo elettrico e il campo magnetico è lineare, e ciò di cui avevamo bisogno era un materiale in cui tale relazione fosse non lineare", ha affermato Robinson. "Abbiamo dovuto pensare al tipo di materiali che avremmo potuto depositare su questo film per creare quella risposta non lineare."
I ricercatori hanno stratificato platino, ossido di afnio e ossido di zinco e hanno aggiunto i materiali impilati sopra la pellicola magnetoelettrica originale. Una delle sfide che hanno dovuto affrontare è stata trovare tecniche di fabbricazione compatibili con i materiali.
"È stato necessario molto lavoro per realizzare questo strato molto sottile, inferiore a 200 nanometri, che ci conferisce proprietà davvero speciali", ha affermato Robinson.
I metamateriali magnetoelettrici non lineari sono 120 volte più veloci nello stimolare l’attività neurale rispetto ai materiali magnetici utilizzati in precedenza. Credito immagine: laboratorio Robinson/Rice University
"Ciò ha ridotto le dimensioni dell'intero dispositivo in modo che in futuro possa essere iniettabile", ha aggiunto Bhave.
Come prova del concetto, i ricercatori hanno utilizzato il materiale per stimolare i nervi periferici nei ratti e hanno dimostrato il potenziale del materiale per l’uso nelle neuroprotesi dimostrando che potrebbe ripristinare la funzione in un nervo reciso.
"Possiamo usare questo metamateriale per colmare il divario in un nervo rotto e ripristinare velocità elevate del segnale elettrico", ha detto Chen.
“Nel complesso, siamo stati in grado di progettare razionalmente un nuovo metamateriale che supera molte sfide nel campo della neurotecnologia. E, cosa ancora più importante, questo quadro per la progettazione avanzata dei materiali può essere applicato ad altre applicazioni come il rilevamento e la memoria nell’elettronica”.
Robinson, che ha tratto ispirazione dal suo lavoro di dottorato in fotonica per progettare il nuovo materiale, ha affermato di trovare “davvero entusiasmante il fatto che ora possiamo progettare dispositivi o sistemi utilizzando materiali che non sono mai esistiti prima anziché essere confinati in quelli presenti in natura”.
"Una volta scoperto un nuovo materiale o una classe di materiali, penso che sia davvero difficile anticiparne tutti i potenziali usi", ha affermato Robinson, professore di ingegneria elettrica e informatica e di bioingegneria. “Ci siamo concentrati sulla bioelettronica, ma prevedo che potrebbero esserci molte applicazioni oltre questo campo”.
Fonte: Rice University
